更安全的轮胎压力检测系统.doc

更安全的轮胎压力监测系统一、引言轮胎是车辆的重要组成部分，行驶过程中的安全性和车辆的主要油耗在一定程度上取决于轮胎压力。尽管如此，大多数驾驶员都很少关注轮胎，尤其是对轮胎进行定期检查的驾驶员就更少了。 据统计，在2000年夏天，美国有650万个轮胎被召回，因为大多数车辆都因充气压力过低造成了严重事故。为此，美国国会于2000年11月1日颁布了“运输工具召回提高、有责任解释和提供证明文件法案”。它要求2004年款所有新批准的美国乘用车必须装备“轮胎压力监测系统”（TPMS），将对压力的过量亏损发出报警。安装轮胎压力监测系统的另一个推动因素是具有应急行驶能力的新型乘用车轮胎（泄气保用轮胎）得到了进一步的普及。这种轮胎依靠瘪气胎仍然可行驶高达500km，其转向性能没有明显变化，不过，车速要小于80km/h。所以，必须使车辆转向器关注压力损失，为此要求在具有应急行驶能力的轮胎上无条件地应用自动轮胎压力监测系统。二、市场可观的轮胎压力监测系统据报道，全球乘用车生产（包括所谓的轻卡）将从2002年的5400万辆增长到2006年的6790万辆，其年累计增长率为3.8%。而直接测量的轮胎压力监测系统将从2002年的130万辆增长到2008年的2130万辆，其年累计增长率为59%。飞利浦半导体公司是全球领先的电子锁止机构（驻车锁）和集成无线电遥控装置（遥控的无钥匙插入）的半导体和收发两用机制造商。在这些装置上应用的技术也被应用到了直接测量的轮胎压力监测系统上。因此，飞利浦公司也断定这种狂长的市场具有极佳的定位。三、直接测量系统（TPMS）直接测量的轮胎压力监测系统从原理上讲是在轮胎内进行压力测量的，因此车轮内装有电子模块。他们或是直接紧固在轮毂上或是紧固在现有的气门杆上，电子模块将其数据发送给车的中央接收单元。此时，如同无线电遥控一样，应用同样的传输原理来取消车辆联锁（遥控的无钥匙进入）。1. 轮胎模块轮胎模块由下列部件组成： 一个压力传感器和可能还有的温度传感器； 一个“信号制备芯片”（可能装在压力传感器里）； 一个高频发送级； 一个电源电池。这些部件必须满足在行驶工况下轮胎内出现的极端要求。例如，-40170的耐热性和高达2kg的耐震性，电池寿命高达10年。2. 压力测量压力传感器是典型的“微电子机械系统”（MEMS）部件。目前市场上有许多品牌的压力传感器，但是只有少数传感器能够满足在行驶的轮胎内测量压力的特殊要求。在这方面处于领先地位的是挪威的传感器公司。市场上可以买到的大部分轮胎压力监测系统都用的是这家公司的产品。另一家轮胎压力监测系统的压力传感器供货商是美国的新星传感器公司。这两家公司提供的压力传感器都是压电原理的。它们给出的是V范围的电压，该电压必须再放大并用模/数转换器转换成数字信号。3. 信号处理新一代压力传感器将计值芯片同样设置在压力传感器壳体内。这既节省了空间也节省了成本，并且可以提供校准传感器。飞利浦半导体公司为该用途研发了一个相应的芯片P2SC（压力传感器信号条件芯片）。它接受压力传感器的模拟信号，然后经相应的放大后输送给一个ADC。所有校准和初始化过程都通过P2SC进行。为此，应用了由飞利浦研发的第二代“微控核心结构”（MRK） 一种微控器核心件，它作为无线电遥控的车钥匙已经经历了百万次考验。为了扩大其性能，需要充分利用轮胎压力。与普遍认为的相反，不是轮胎压力，而是轮胎的充气体积是决定性的因素。压力会因温度而改变，并且会根据行驶状况而升高。为了能够确定充气体积，除压力外，还必须将温度统计进去，并对这些信息做出相应的处理。为此，飞利浦公司将温度传感器组装在了信号条件芯片上。当然，轮胎模块具有一个最小能耗是绝对必要的，因为与无线电遥控式相反，这时的“车钥匙”可能无法更换电池。由飞利浦研发的P2SC的另一个特点是解决了自动辨认位置，例如，轮胎从前轴换到后轴之后。4. 发送与接收经P2SC处理后的压力可能还有温度集群信号将借助高频（如，434MHz）被传送到车上中央接收单元。为此，要么使用SAW 谐振器，要么使用相位锁定环路（PLL）电路。这些目前仍然作为分立元件安装在轮胎模块上。不过，飞利浦半导体公司已经研发了第二代P2SC，在芯片上组合了相位锁定环路电路。从传感器制造商那里也可以买到集成组件的这种芯片，传感器、信号条件芯片和UHF测量发送机都被封装在一个壳体内，如图1所示。正如所说的那样，车上“遥控的无钥匙插入”初始化单元也被用于轮胎压力传感器的无线电信号。为此，只能靠软件适应了。中央无线电接收机接收轮胎压力传感器的信号，并将它进一步传递到显示器上，比如汇集到仪表板上。5. 轮胎的辨别每个轮胎除了发送压力信息之外还将发送一个特有的识别标志给中央接收机，以便根据初始化确定每个车轮的位置。因此，接收单元可以确定压力损失是出现在前右轮还是后左轮。但是，如果车主要更换轮胎（例如：从前轴换到后轴，反之亦然），则分配给传感器的识别标志将丢失拥有的轮胎位置。有各种途径解答这个问题： 每个车轮罩都有一个超高频（UHF）接收机。每个接收机都能接收“它的”最强的轮胎信号并用作正确的识别信号。这种方法是相当昂贵的，因为车上必须有4个无线电接收机和相应的电缆。 只有一个无线电接收机，但是用场强测量4个车轮的各个信号。这种方法极不精确，因为4个信号的场强差是非常小的。此外，无线电接收机在此时必须位于专用的位置上，在该位置上无线电信号的场强差足够大。 高频唤醒。超高频发送机被安装在每个车轮罩内，它准时“唤醒”位于该车轮罩内的车轮模块,随后送回它的识别标志。这种变型同样相当昂贵，因为无论是将适当的超高频发送机安装在每个车轮罩内，还是通过中央发送单元和高频电缆，都必须用4个发送天线进行多路识别。此外，车轮模块必须拥有一个高频接收单元。 低频唤醒。在每个车轮罩内都装有一个简单的线圈，它将一个低频（例如，125kHz）唤醒信号发送到车轮罩上。车轮模块上相应的接收机接收该信号，然后利用超高频发送识别标志。这种低频唤醒和高频送回的联合形式已经被应用到“被动无钥匙插入”（PKE）上，并且价格相当便宜，非常可靠。飞利浦已经将来自“被动无钥匙插入”范围试验的低频唤醒的“低频”（LF）接收单元组合到P2SC上，该接收单元可以接收多达3个（正交排列的）“低频”（LF）天线信号。车轮模块在任何一个位置上，即使是在旋转的轮胎上也能够保障该信号被识别出来。四、间接测量系统如果汽车装备有一套4通道ABS防抱死系统，也可以间接（不用安装压力传感器的车轮模块）测量轮胎的压力损失。此时将充分利用这一实际情况，使较小的轮胎充气空间体积也减小。因此，提高“瘪气”轮胎的旋转速度，可以通过ABS防抱死系统的转数传感器来进行。该系统的最大优点在于价格，假如4通道ABS防抱死系统已经用到车上了，增加轮胎压力监测系统的费用主要限于适宜全套仪器的软件。但是，这种靠ABS系统支持的测量系统较之前面所说的直接测量系统具有几个致命缺点： 只要车辆不行驶就不能测量，在停车状态无法识别瘪气轮胎。 当所有轮胎都有同样低的压力时无法识别。 一般因有差别而做出反应，始于约30%的压力损失。这些致命缺点和其他缺点使得间接测量系统要获得市场长期认可显然是值得怀疑的，尽管它具有价格优势。五、展望鉴于美国法律状况